JP7032232B2

JP7032232B2 - Power switching circuit

Info

Publication number: JP7032232B2
Application number: JP2018094427A
Authority: JP
Inventors: 修木村
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: JP2019201480A

Description

本発明は、所望の伝送路に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路に関する。 The present invention relates to a power switching circuit that generates pulsed power supply power that can be sent to a desired transmission line.

一般的に、車両上においては、主電源である車載バッテリやオルタネータ（発電機）と、車両上の様々な箇所に配置されている様々な種類の電装品との間が、電線の集合体であるワイヤハーネスを経由してそれぞれ接続されている。したがって、車載バッテリが蓄積している電力を様々な電装品に電源電力として供給することができる。 Generally, on a vehicle, an assembly of electric wires is formed between an in-vehicle battery or alternator (generator), which is the main power source, and various types of electrical components arranged at various locations on the vehicle. They are connected via a certain wire harness. Therefore, the electric power stored in the in-vehicle battery can be supplied to various electrical components as power supply power.

一方、電力をパケット化して送配電するための技術が、例えば特許文献１に示されている。特許文献１は、受信した電力パケットの電力を蓄える複数の蓄電部と、受信した電力パケットを複数の蓄電部に振り分けるスイッチ部と、複数の蓄電部が蓄電した電力に基づいて電力パケットを生成する出力部とを有する電力ルータを示している。 On the other hand, a technique for packetizing electric power for transmission and distribution is shown in, for example, Patent Document 1. Patent Document 1 generates a power packet based on a plurality of power storage units that store the power of a received power packet, a switch unit that distributes the received power packet to a plurality of power storage units, and power stored by the plurality of power storage units. It shows a power router having an output unit.

国際公開第２０１４／０７７１９１号International Publication No. 2014/077191

ところで、自動車用部品においては、部品およびワイヤハーネスからの放射ノイズが厳しく制限されている。具体的には、国際無線障害特別委員会（ＣＩＳＰＲ）が定めた規格ＣＩＳＰＲ２５（車載受信器の保護のための妨害特性の許容値及び測定法）に従う必要がある。また、車両においては補機のエネルギー損失が厳しく制限され、効率が重視される傾向がある。 By the way, in automobile parts, radiation noise from parts and wire harnesses is severely limited. Specifically, it is necessary to comply with the standard CISPR25 (allowable value and measurement method of interference characteristics for protection of in-vehicle receivers) established by the International Special Committee on Radio Interference (CISPR). Further, in a vehicle, the energy loss of auxiliary equipment is severely limited, and efficiency tends to be emphasized.

例えば、車両に搭載された機器が特許文献１に示されているような電力パケット伝送技術を採用する場合には、直流電力をスイッチングすることにより、パルス状の電力をパケットとして生成し、生成した電力パケットをワイヤハーネスを介して伝送することになる。その場合、大きな電力のスイッチングを周期的に繰り返すことになるので、スイッチングの際に発生する電力損失が大きな問題になる。また、スイッチングの際に発生する高調波成分の影響により、ワイヤハーネスから周波数が高い大きな放射ノイズが発生することが懸念される。 For example, when a device mounted on a vehicle adopts a power packet transmission technique as shown in Patent Document 1, pulsed power is generated and generated as a packet by switching DC power. Power packets will be transmitted via the wire harness. In that case, switching of a large amount of power is repeated periodically, so that the power loss generated at the time of switching becomes a big problem. In addition, there is a concern that large high-frequency radiation noise may be generated from the wire harness due to the influence of harmonic components generated during switching.

また、スイッチングに伴う放射ノイズを低減するためにソフトスイッチングの技術を採用する場合には、コンデンサに蓄積される電力の影響により、電気エネルギーの損失が増大する可能性がある。 Further, when the soft switching technique is adopted to reduce the radiation noise associated with the switching, the loss of electric energy may increase due to the influence of the electric power stored in the capacitor.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス状の電源電力伝送を行う場合に、スイッチングに伴う電力損失を低減すると共に、放射ノイズを低減することが可能な、電力スイッチング回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to reduce power loss due to switching and reduce radiation noise when performing pulsed power supply power transmission. , To provide a power switching circuit.

前述した目的を達成するために、本発明に係る電力スイッチング回路は、下記（１）～（４）を特徴としている。
（１）所望の伝送路に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路であって、
電力の通過経路上に接続された少なくとも１つの電力スイッチ素子と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側に接続された整流器と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側と電力出力側との間に前記整流器を介して接続されたキャパシタと、
前記電力スイッチ素子の電力出力側に接続されたインダクタと、
を備え、
前記キャパシタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオフする時の前記電力スイッチ素子への印加電圧の低減に影響し、
前記インダクタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオンする時の前記電力スイッチ素子に流れる電流の低減に影響する、
ことを特徴とする電力スイッチング回路。 In order to achieve the above-mentioned object, the power switching circuit according to the present invention is characterized by the following (1) to (4).
(1) A power switching circuit that generates pulsed power supply power that can be sent to a desired transmission line.
With at least one power switch element connected on the power passage path,
A rectifier connected to the power input side of the power switch element and
A capacitor connected between the power input side and the power output side of the power switch element via the rectifier, and
The inductor connected to the power output side of the power switch element and
Equipped with
The capacitor at least affects the reduction of the voltage applied to the power switch element when the power switch element is turned off.
The inductor affects at least the reduction of the current flowing through the power switch element when the power switch element is turned on.
A power switching circuit characterized by that.

上記（１）の構成の電力スイッチング回路によれば、パルス状の電源電力を生成するために電力スイッチ素子がターンオフする時の電力スイッチ素子への印加電圧が、キャパシタにより低減される。また、パルス状の電源電力を生成するために電力スイッチ素子がターンオンする時の電力スイッチ素子に流れる電流が、インダクタにより低減される。つまり、パルス状の電源電力を生成する際に、ソフトスイッチングの動作を行うことが可能であり、スイッチングの際に発生する電力損失、および放射ノイズの低減が可能になる。また、整流器はキャパシタからの電流の流出を抑制できる。 According to the power switching circuit having the configuration of (1) above, the voltage applied to the power switch element when the power switch element is turned off in order to generate pulsed power supply power is reduced by the capacitor. Further, the inductor reduces the current flowing through the power switch element when the power switch element is turned on to generate pulsed power supply power. That is, it is possible to perform soft switching operation when generating pulsed power supply power, and it is possible to reduce power loss and radiation noise generated during switching. In addition, the rectifier can suppress the outflow of current from the capacitor.

（２）前記キャパシタの端子間に一次側が接続された電力回生部、および前記電力回生部を駆動するタイミング信号を生成するタイミング生成部、を更に備え、
前記電力回生部は、前記キャパシタに蓄積された電力を回収して前記電力スイッチ素子の電力入力側に転送する機能を有し、
前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子がオンの時に、前記電力回生部を駆動するためのタイミング信号を生成する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の電力スイッチング回路。 (2) Further provided with a power regeneration unit in which the primary side is connected between the terminals of the capacitor and a timing generation unit for generating a timing signal for driving the power regeneration unit.
The power regeneration unit has a function of recovering the power stored in the capacitor and transferring it to the power input side of the power switch element.
The timing generation unit generates a timing signal for driving the power regeneration unit when the power switch element is on.
The power switching circuit according to (1) above.

上記（２）の構成の電力スイッチング回路によれば、キャパシタに蓄積された電力を回生エネルギーとして回収し再利用できるので、キャパシタの影響で発生する電力損失を低減できる。 According to the power switching circuit having the configuration of (2) above, the power stored in the capacitor can be recovered and reused as regenerative energy, so that the power loss caused by the influence of the capacitor can be reduced.

（３）前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子のオンオフ周期に比べて短い周期でオンオフを繰り返す駆動パルスを生成する、
ことを特徴とする上記（２）に記載の電力スイッチング回路。 (3) The timing generation unit generates a drive pulse that repeats on / off in a shorter cycle than the on / off cycle of the power switch element.
The power switching circuit according to (2) above, characterized in that.

上記（３）の構成の電力スイッチング回路によれば、電力スイッチ素子のオンオフのタイミングが変化した場合でも、電力スイッチ素子のオン状態の区間で、駆動パルスにより確実にキャパシタに蓄積された電力を回収することが可能になる。 According to the power switching circuit having the configuration of (3) above, even if the on / off timing of the power switch element changes, the power accumulated in the capacitor by the drive pulse is surely recovered in the on section of the power switch element. It will be possible to do.

（４）前記電力スイッチ素子が出力するパルス状の電源電力波形に隣接するタイミングで、該当する電源電力に関連するデジタル情報の信号を付加する情報付加部、を更に備えた、
ことを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の電力スイッチング回路。 (4) Further provided with an information addition unit for adding a signal of digital information related to the corresponding power supply power at a timing adjacent to the pulsed power supply power waveform output by the power switch element.
The power switching circuit according to any one of (1) to (3) above.

上記（４）の構成の電力スイッチング回路によれば、デジタル情報を含む電力パケットとして電力を伝送できるので、例えば宛先や種類が異なる電力であっても共通の伝送路を用いて伝送可能になる。また、伝送経路が複雑になると電力パケットの生成を複数回繰り返すことになり電力損失が増大する可能性があるが、キャパシタおよびインダクタがスイッチングに伴う電力損失を低減するので、システム全体の電力損失の増大を抑制できる。 According to the power switching circuit having the configuration of (4) above, power can be transmitted as a power packet containing digital information, so that even power of different destinations and types can be transmitted using a common transmission line. In addition, if the transmission path becomes complicated, the generation of power packets will be repeated multiple times, which may increase the power loss.However, since the capacitors and inductors reduce the power loss associated with switching, the power loss of the entire system can be reduced. The increase can be suppressed.

本発明の電力スイッチング回路によれば、パルス状の電源電力伝送を行う場合に、スイッチングに伴う電力損失を低減すると共に、放射ノイズを低減することが可能である。すなわち、電力スイッチ素子がターンオフする時の電力スイッチ素子への印加電圧が、キャパシタにより低減される。また、パルス状の電源電力を生成するために電力スイッチ素子がターンオンする時の電力スイッチ素子に流れる電流が、インダクタにより低減される。 According to the power switching circuit of the present invention, it is possible to reduce power loss due to switching and reduce radiation noise when performing pulsed power supply power transmission. That is, the voltage applied to the power switch element when the power switch element is turned off is reduced by the capacitor. Further, the inductor reduces the current flowing through the power switch element when the power switch element is turned on to generate pulsed power supply power.

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。 The present invention has been briefly described above. Further, the details of the present invention will be further clarified by reading through the embodiments described below (hereinafter referred to as "embodiments") with reference to the accompanying drawings. ..

図１は、パルス電力伝送システムの主要部の構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a main part of a pulse power transmission system. 図２は、送出する電力パケットの構成例を示すタイムチャートである。FIG. 2 is a time chart showing a configuration example of a power packet to be transmitted. 図３は、本発明の実施形態における電力スイッチング回路の構成例を示す電気回路図である。FIG. 3 is an electric circuit diagram showing a configuration example of a power switching circuit according to an embodiment of the present invention. 図４は、電力スイッチング回路中の主要な電圧及び電流の波形を示すタイムチャートである。FIG. 4 is a time chart showing waveforms of major voltages and currents in a power switching circuit. 図５は、電力スイッチ素子がターンオンする時の主要な電圧及び電流の波形を示すタイムチャートである。FIG. 5 is a time chart showing the main voltage and current waveforms when the power switch element is turned on. 図６は、電力スイッチ素子がターンオフする時の主要な電圧及び電流の波形を示すタイムチャートである。FIG. 6 is a time chart showing the main voltage and current waveforms when the power switch element is turned off. 図７は、２つのゲート制御信号ＳＧ３、ＳＧ４の波形を示すタイムチャートである。FIG. 7 is a time chart showing the waveforms of the two gate control signals SG3 and SG4. 図８は、回生電流ｉ８の波形を示すタイムチャートである。FIG. 8 is a time chart showing a waveform of the regenerative current i8. 図９は、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９の波形を示すタイムチャートである。FIG. 9 is a time chart showing a waveform of the voltage Vp9 between terminals of the capacitor C1.

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。 Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the respective figures.

＜システムの構成例＞
本発明の実施形態におけるパルス電力伝送システムの主要部の構成例を図１に示す。 <System configuration example>
FIG. 1 shows a configuration example of a main part of the pulse power transmission system according to the embodiment of the present invention.

図１に示したパルス電力伝送システムは、車両に搭載され、車載バッテリー等から供給される電源電力を車両上の様々な負荷、すなわち車載電装品に向けて配電するために利用することを想定している。勿論、車載システム以外の用途で利用することも可能であるし、細部の構成については必要に応じて変更することができる。 The pulse power transmission system shown in FIG. 1 is assumed to be mounted on a vehicle and used to distribute power supplied from an in-vehicle battery or the like to various loads on the vehicle, that is, to in-vehicle electrical components. ing. Of course, it can be used for purposes other than in-vehicle systems, and the detailed configuration can be changed as needed.

図１に示したパルス電力伝送システムは、電力パケットを生成するミキサ１０と、電力パケットを配電するルータ３０および３１とを含んでいる。ミキサ１０とルータ３０との間はワイヤハーネスＷ１を介して接続されている。また、ルータ３０の出力側に、ワイヤハーネスＷ２を経由して負荷３３、３４、およびルータ３１が接続されている。 The pulsed power transmission system shown in FIG. 1 includes a mixer 10 for generating power packets and routers 30 and 31 for distributing power packets. The mixer 10 and the router 30 are connected via a wire harness W1. Further, the loads 33 and 34 and the router 31 are connected to the output side of the router 30 via the wire harness W2.

ミキサ１０は、送電パルス生成部１１、ヘッダ生成部１２、電源ライン１６、およびアースライン１７を備えている。また、ミキサ１０の出力端子１０ａ、１０ｂにワイヤハーネスＷ１が接続されている。 The mixer 10 includes a power transmission pulse generation unit 11, a header generation unit 12, a power supply line 16, and an earth line 17. Further, the wire harness W1 is connected to the output terminals 10a and 10b of the mixer 10.

送電パルス生成部１１は、電源２１、２２のいずれかから供給される直流の電源電力を選択して周期的にスイッチングし、電力パケットとして電源ライン１６へ供給するパルス状の電源電力を生成する。 The power transmission pulse generation unit 11 selects and periodically switches the DC power supply power supplied from any of the power supplies 21 and 22, and generates pulse-shaped power supply power to be supplied to the power supply line 16 as a power packet.

なお、複数の電源２１、２２は、例えばメインバッテリーとサブバッテリーのように同じ電圧の電力を出力するものであってもよいし、例えば１２［Ｖ］と４８［Ｖ］のように、互いに異なる電源電圧を出力するものであってもよい。また、必ずしも複数の電源２１、２２を接続する必要はない。 The plurality of power supplies 21 and 22 may output power of the same voltage, for example, the main battery and the sub-battery, or are different from each other, for example, 12 [V] and 48 [V]. It may output a power supply voltage. Further, it is not always necessary to connect a plurality of power supplies 21 and 22.

ヘッダ生成部１２は、上位制御部２０が出力する送電指示信号ＳＧ１の指示に従い、該当する電力パケットのタイミングを表すパルスタイミング信号ＳＧ２を生成すると共に、この電力パケットに付加するヘッダのデジタル情報を生成する。ヘッダ生成部１２が生成したパルスタイミング信号ＳＧ２は送電パルス生成部１１に供給され、デジタル情報は電源ライン１６に供給される。パルスタイミング信号ＳＧ２は、電力パケットに含まれるペイロードのタイミングを表す二値信号である。 The header generation unit 12 generates the pulse timing signal SG2 indicating the timing of the corresponding power packet according to the instruction of the power transmission instruction signal SG1 output by the host control unit 20, and also generates the digital information of the header to be added to the power packet. do. The pulse timing signal SG2 generated by the header generation unit 12 is supplied to the power transmission pulse generation unit 11, and the digital information is supplied to the power supply line 16. The pulse timing signal SG2 is a binary signal representing the timing of the payload included in the power packet.

送電パルス生成部１１は、パルスタイミング信号ＳＧ２のタイミングに同期して、パルス状の電源電力を生成する。送電パルス生成部１１は、パルス状の電源電力を生成する必要があるので、例えば図３に示した構成の電力スイッチング回路６０を内蔵している。この電力スイッチング回路６０については後で説明する。 The power transmission pulse generation unit 11 generates pulse-shaped power supply power in synchronization with the timing of the pulse timing signal SG2. Since the power transmission pulse generation unit 11 needs to generate pulsed power supply power, it has a built-in power switching circuit 60 having the configuration shown in FIG. 3, for example. The power switching circuit 60 will be described later.

図１に示したルータ３０は、ダイオード４１、蓄電部４２、ヘッダ抽出部４３、および出力制御部４４を備えている。なお、蓄電部４２をルータ３０の外側に接続してもよい。
ダイオード４１は電流の逆流を防止する。蓄電部４２は、例えば大容量のコンデンサにより構成され、ワイヤハーネスＷ１により伝送された電力パケットから電力を取り出して一時的に蓄積する。 The router 30 shown in FIG. 1 includes a diode 41, a power storage unit 42, a header extraction unit 43, and an output control unit 44. The power storage unit 42 may be connected to the outside of the router 30.
The diode 41 prevents backflow of current. The power storage unit 42 is composed of, for example, a large-capacity capacitor, and takes out electric power from the electric power packet transmitted by the wire harness W1 and temporarily stores the electric power.

ヘッダ抽出部４３は、ワイヤハーネスＷ１により伝送された電力パケットからヘッダに含まれるデジタル情報を抽出し、このデジタル情報を出力制御部４４に与える。出力制御部４４は、蓄電部４２に蓄積されている電力を必要に応じて取り出し、各負荷３３、３４に供給したり、新たな電力パケットを生成して他のルータ３１に送電することができる。 The header extraction unit 43 extracts digital information included in the header from the power packet transmitted by the wire harness W1 and gives this digital information to the output control unit 44. The output control unit 44 can take out the electric power stored in the power storage unit 42 as needed and supply it to the respective loads 33 and 34, or generate a new electric power packet and transmit it to another router 31. ..

ルータ３０内の出力制御部４４は、例えば図３に示した電力スイッチング回路６０と同等の機能を搭載している。したがって、蓄電部４２に蓄積されている電力をスイッチングして必要な量の電源電力を各負荷３３、３４に配電したり、新たな電力パケットを生成することができる。ルータ３１の構成はルータ３０と同様である。 The output control unit 44 in the router 30 is equipped with a function equivalent to that of the power switching circuit 60 shown in FIG. 3, for example. Therefore, the power stored in the power storage unit 42 can be switched to distribute the required amount of power supply power to the loads 33 and 34, or a new power packet can be generated. The configuration of the router 31 is the same as that of the router 30.

例えば、出力制御部４４がヘッダ抽出部４３から取得したヘッダのデジタル情報の中に、当該電力を消費する宛先の情報が含まれている場合には、出力制御部４４はこの宛先に応じて負荷３３、３４、およびルータ３１のいずれかを選択することができる。また、例えば電源電圧の種類（１２、４８［Ｖ］など）を表す送電電力情報が含まれている場合には、該当する電源電圧を必要とする負荷に対して選択的に電力を供給したり、適切な配電先の経路を選択することができる。 For example, if the digital information of the header acquired by the output control unit 44 from the header extraction unit 43 includes the information of the destination that consumes the power, the output control unit 44 loads according to the destination. You can choose between 33, 34, and router 31. Further, for example, when transmission power information indicating the type of power supply voltage (12, 48 [V], etc.) is included, power may be selectively supplied to a load that requires the corresponding power supply voltage. , Appropriate distribution destination route can be selected.

＜電力パケットの構成例＞
図１に示したミキサ１０がワイヤハーネスＷ１に送出する電力パケットの構成例を図２に示す。なお、ルータ３０がワイヤハーネスＷ２に送出する電力パケットも図２と同様である。 <Power packet configuration example>
FIG. 2 shows a configuration example of a power packet transmitted by the mixer 10 shown in FIG. 1 to the wire harness W1. The power packet sent by the router 30 to the wire harness W2 is the same as in FIG.

図２に示した例では、電力パケット５０はヘッダ５１およびペイロード５２により構成されている。
ペイロード５２は、下流側に供給する電源電力を格納する領域を表す。ヘッダ５１は、この電力パケット５０の先頭に配置されており、このパケットを管理する上で必要なデジタル情報を格納する領域を表す。ペイロード５２はヘッダ５１の後方に配置されている。なお、例えばペイロード５２の後方にフッタの領域を付加してもよい。 In the example shown in FIG. 2, the power packet 50 is composed of a header 51 and a payload 52.
The payload 52 represents an area for storing power supplied to the downstream side. The header 51 is arranged at the head of the power packet 50 and represents an area for storing digital information necessary for managing the packet. The payload 52 is located behind the header 51. For example, a footer region may be added behind the payload 52.

図１に示した送電パルス生成部１１は、各電力パケット５０のペイロード５２の内側のタイミングで、パルス状の電源電力を電源ライン１６に送出する。また、ヘッダ生成部１２は、各電力パケット５０のヘッダ５１のタイミングで、必要なデジタル情報を電源ライン１６に送出する。 The power transmission pulse generation unit 11 shown in FIG. 1 sends pulse-shaped power supply power to the power supply line 16 at a timing inside the payload 52 of each power packet 50. Further, the header generation unit 12 sends necessary digital information to the power supply line 16 at the timing of the header 51 of each power packet 50.

図２の例では、ヘッダ５１の中に同期信号５１ａ、宛先情報５１ｂ、および送電電力情報５１ｃが含まれている。同期信号５１ａは、例えば下流側のルータ３０が電力パケット５０の先頭のタイミングを正確に把握するために利用される。宛先情報５１ｂは、例えば該当する電力パケット５０で伝送した電力を消費すべき特定の負荷や配電経路などを特定可能な識別子である。送電電力情報５１ｃは、例えば該当する電力パケット５０で伝送する電源電力の種類（１２、４８［Ｖ］など）を表す情報を伝送するために利用される。 In the example of FIG. 2, the header 51 includes the synchronization signal 51a, the destination information 51b, and the transmission power information 51c. The synchronization signal 51a is used, for example, for the router 30 on the downstream side to accurately grasp the timing at the beginning of the power packet 50. The destination information 51b is, for example, an identifier that can specify a specific load, a power distribution path, or the like that should consume the power transmitted by the corresponding power packet 50. The transmission power information 51c is used, for example, to transmit information indicating the type of power supply power (12, 48 [V], etc.) to be transmitted in the corresponding power packet 50.

＜電力スイッチング回路の構成＞
本発明の実施形態における電力スイッチング回路６０の構成例を図３に示す。
－＜基本的な構成の説明＞
図３に示した電力スイッチング回路６０は、電源２１、２２から供給される直流電力からパルス状の電源電力波形を生成するために、各タイミングで出力端子１０ａ、１０ｂに出力する電力のオンオフを切り替える電力スイッチ素子Ｑ１を内蔵している。図３の例では、電力スイッチ素子Ｑ１として、高電力のスイッチングが可能なＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスを採用している。 <Structure of power switching circuit>
FIG. 3 shows a configuration example of the power switching circuit 60 according to the embodiment of the present invention.
-<Explanation of basic configuration>
The power switching circuit 60 shown in FIG. 3 switches on / off the power output to the output terminals 10a and 10b at each timing in order to generate a pulsed power supply power waveform from the DC power supplied from the power supplies 21 and 22. It has a built-in power switch element Q1. In the example of FIG. 3, a MOS type field effect transistor (FET) device capable of high power switching is adopted as the power switch element Q1.

電力スイッチング回路６０が生成するパルス状の電力波形（ペイロード５２）に同期したタイミングを表すゲート制御信号ＳＧ３を、図１に示したパルスタイミング信号ＳＧ２に従って信号発生器６１が発生する。 A signal generator 61 generates a gate control signal SG3 indicating timing synchronized with a pulsed power waveform (loading 52) generated by the power switching circuit 60 according to the pulse timing signal SG2 shown in FIG.

このゲート制御信号ＳＧ３は、ゲートドライバ６２を介して電力スイッチ素子Ｑ１のゲート端子に印加される。したがって、電力スイッチ素子Ｑ１は二値信号である送電指示信号ＳＧ１のオンオフに同期して、パルス状に時分割制御された波形の電力を生成する。 This gate control signal SG3 is applied to the gate terminal of the power switch element Q1 via the gate driver 62. Therefore, the power switch element Q1 generates electric power having a time-division-controlled waveform in a pulse shape in synchronization with the on / off of the power transmission instruction signal SG1 which is a binary signal.

電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時には、そのドレイン－ソース端子間が非導通になり、電源ライン６３Ａ、６３Ｂの間が遮断され、電源ライン６３Ｂを流れる電流ｉ１の値が０になる。また、電力スイッチ素子Ｑ１がオンの時には、そのドレイン－ソース端子間が導通状態になるので、電源２１、２２から供給される電力が出力側に供給され、電源ライン６３Ｂに電流ｉ１が流れる。 When the power switch element Q1 is off, the drain-source terminal thereof becomes non-conducting, the power supply lines 63A and 63B are cut off, and the value of the current i1 flowing through the power supply line 63B becomes 0. Further, when the power switch element Q1 is on, the drain and source terminals are in a conductive state, so that the power supplied from the power supplies 21 and 22 is supplied to the output side, and the current i1 flows through the power supply line 63B.

図３に示した例では、電力スイッチ素子Ｑ１の出力側に、抵抗器Ｒ１およびダイオードＤ５が並列に接続されている。なお、出力端子１０ａ、１０ｂに接続されているインダクタンス成分Ｌ３、コンデンサＣ２、および抵抗成分Ｒ２は、ワイヤハーネスＷ１の電気特性や、負荷側の電気特性に相当する。 In the example shown in FIG. 3, the resistor R1 and the diode D5 are connected in parallel to the output side of the power switch element Q1. The inductance component L3, the capacitor C2, and the resistance component R2 connected to the output terminals 10a and 10b correspond to the electrical characteristics of the wire harness W1 and the electrical characteristics on the load side.

－＜電力スイッチ素子Ｑ１のスイッチングに伴う課題の説明＞
一般的な構成を採用した場合を想定すると、電力スイッチ素子Ｑ１がオフからオンに切り替わる時（ターンオン時）には、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間に電圧（Ｖｐ１）が印加されている状態で電流（ｉ１）が流れ始める。そして、電力スイッチ素子Ｑ１が導通状態になると電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧（Ｖｐ１）が０に近づく。 -<Explanation of issues associated with switching of power switch element Q1>
Assuming that a general configuration is adopted, when the power switch element Q1 is switched from off to on (at the time of turn-on), a voltage (Vp1) is applied between the drain and source terminals of the power switch element Q1. In this state, the current (i1) begins to flow. Then, when the power switch element Q1 becomes conductive, the voltage (Vp1) between the drain and source terminals of the power switch element Q1 approaches zero.

したがって、ターンオン時には、電圧と電流の積で表される比較的大きな電力が電力スイッチ素子Ｑ１自体に印加されることになり、これが電力損失として電力スイッチ素子Ｑ１により消費される。つまり、出力側に接続される負荷とは無関係な電力スイッチ素子Ｑ１自身の電力消費により電力効率が低下する。また、電流ｉ１が流れている状態で電圧Ｖｐ１が切り替わるので、ターンオン時に比較的高電力の高調波ノイズが発生する原因となる。 Therefore, at the time of turn-on, a relatively large amount of power represented by the product of voltage and current is applied to the power switch element Q1 itself, and this is consumed by the power switch element Q1 as a power loss. That is, the power efficiency is lowered by the power consumption of the power switch element Q1 itself, which is irrelevant to the load connected to the output side. Further, since the voltage Vp1 is switched while the current i1 is flowing, it causes a relatively high power harmonic noise at the time of turn-on.

また、一般的な構成を採用した場合を想定すると、電力スイッチ素子Ｑ１がオンからオフに切り替わる時（ターンオフ時）には、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧Ｖｐ１が上昇を始めた後で、電流ｉ１が徐々に遮断される。そして、電力スイッチ素子Ｑ１が完全に非導通状態になると、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧Ｖｐ１が最大になり、電流ｉ１は０になる。 Further, assuming that a general configuration is adopted, when the power switch element Q1 is switched from on to off (at the time of turn-off), the voltage Vp1 between the drain and source terminals of the power switch element Q1 begins to rise. Later, the current i1 is gradually cut off. When the power switch element Q1 is completely non-conducting, the voltage Vp1 between the drain and source terminals of the power switch element Q1 becomes maximum, and the current i1 becomes 0.

したがって、ターンオフ時にも、電圧と電流の積で表される比較的大きな電力が電力スイッチ素子Ｑ１自体に印加されることになり、これが電力損失として電力スイッチ素子Ｑ１により消費され、電力効率が低下する。また、電圧Ｖｐ１が大きい状態で電流ｉ１が変化するので、ターンオフ時に比較的高電力の高周波ノイズが発生する原因となる。 Therefore, even at turn-off, a relatively large amount of power represented by the product of voltage and current is applied to the power switch element Q1 itself, which is consumed by the power switch element Q1 as a power loss, and power efficiency is lowered. .. Further, since the current i1 changes in a state where the voltage Vp1 is large, it causes high-frequency noise of relatively high power to be generated at the time of turn-off.

－＜追加された構成要素の説明＞
図３に示した電力スイッチング回路６０は、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時の課題およびターンオフ時の課題をそれぞれ解決するための構成要素を備えている。 -<Explanation of added components>
The power switching circuit 60 shown in FIG. 3 includes components for solving the problems at the time of turn-on and the problems at the time of turn-off of the power switch element Q1.

すなわち、図３に示すように、電力スイッチ素子Ｑ１の入力側の電源ライン６３Ａと、出力側の電源ライン６３Ｂとの間に、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１の直列回路が接続されている。また、電源ライン６３ＢにコイルＬ１が接続されている。ダイオードＤ１は、アノード端子が電源ライン６３Ａに接続され、カソード端子がコンデンサＣ１の一端と接続されている。 That is, as shown in FIG. 3, a series circuit of the diode D1 and the capacitor C1 is connected between the power supply line 63A on the input side and the power supply line 63B on the output side of the power switch element Q1. Further, the coil L1 is connected to the power supply line 63B. In the diode D1, the anode terminal is connected to the power supply line 63A, and the cathode terminal is connected to one end of the capacitor C1.

つまり、電流ｉ１の通過経路に対して、コンデンサＣ１は電力スイッチ素子Ｑ１と並列になるようにダイオードＤ１を介して接続されている。また、コイルＬ１は電力スイッチ素子Ｑ１と直列になるように接続されている。これらの構成要素（Ｃ１、Ｄ１、Ｌ１）は、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時にＺＣＳ（ゼロ・カレント・スイッチング）を実現すると共に、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時にＺＶＳ（ゼロ・ボルト・スイッチング）を実現するための機能を有している。 That is, the capacitor C1 is connected to the passage path of the current i1 via the diode D1 so as to be in parallel with the power switch element Q1. Further, the coil L1 is connected in series with the power switch element Q1. These components (C1, D1, L1) realize ZCS (zero current switching) at the turn-on of the power switch element Q1 and ZVS (zero volt switching) at the turn-off of the power switch element Q1. It has a function to do.

具体的には、コイルＬ１のインダクタンスによる共振機能の影響により、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時に、電力スイッチ素子Ｑ１を流れる電流ｉ１が０に近い状態で、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧Ｖｐ１が「高」から「低」に切り替わる状態になる。これにより、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時に、電力スイッチ素子Ｑ１自身がほとんど電力を消費しない状態になり、高調波ノイズも抑制される。 Specifically, due to the influence of the resonance function due to the inductance of the coil L1, when the power switch element Q1 is turned on, the current i1 flowing through the power switch element Q1 is close to 0, and the drain-source terminal of the power switch element Q1 is connected. The voltage Vp1 is switched from "high" to "low". As a result, when the power switch element Q1 is turned on, the power switch element Q1 itself consumes almost no power, and harmonic noise is also suppressed.

また、コンデンサＣ１のキャパシタンスによる共振機能の影響により、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時に、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧Ｖｐ１が０に近い状態で、電力スイッチ素子Ｑ１を流れる電流ｉ１が遮断される状態になる。これにより、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時に、電力スイッチ素子Ｑ１自身がほとんど電力を消費しない状態になり、高調波ノイズも抑制される。 Further, due to the influence of the resonance function due to the capacitance of the capacitor C1, when the power switch element Q1 is turned off, the current i1 flowing through the power switch element Q1 is generated while the voltage Vp1 between the drain and source terminals of the power switch element Q1 is close to 0. It will be cut off. As a result, when the power switch element Q1 is turned off, the power switch element Q1 itself consumes almost no power, and harmonic noise is also suppressed.

なお、ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１から電源ライン６３Ａ側に電流が逆流してコンデンサＣ１が放電するのを防止する。
電力スイッチ素子Ｑ１におけるターンオン時のＺＣＳ、およびターンオフ時のＺＶＳを実現するために、コンデンサＣ１の静電容量、およびコイルＬ１のインダクタンスは例えば、回路シミュレータを用いて最適な値が選択される。 The diode D1 prevents the current from flowing back from the capacitor C1 to the power supply line 63A side to discharge the capacitor C1.
In order to realize ZCS at turn-on and ZVS at turn-off in the power switch element Q1, the optimum values of the capacitance of the capacitor C1 and the inductance of the coil L1 are selected by using, for example, a circuit simulator.

－＜電気エネルギーの回生の必要性＞
図３に示した電力スイッチング回路６０において、追加されたコンデンサＣ１は、電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時に、次式に示す電力Ｐｃの電気エネルギーを蓄積している。
Ｐｃ＝（１／２）・Ｃ・Ｖ２
Ｃ：コンデンサＣ１の静電容量
Ｖ：コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９ -<Necessity of regeneration of electrical energy>
In the power switching circuit 60 shown in FIG. 3, the added capacitor C1 stores the electric energy of the power Pc shown in the following equation when the power switch element Q1 is off.
Pc = (1/2) ・ C ・ V2
C: Capacitance of capacitor C1 V: Voltage between terminals of capacitor C1 Vp9

したがって、コンデンサＣ１が蓄積した電気エネルギーをそのまま自然に放電させると電力Ｐｃの損失が発生し、全体の電力効率が低下する。そこで、コンデンサＣ１から蓄積された電気エネルギーを回収して回生電力として再利用することにより、電力効率を改善することが可能になる。 Therefore, if the electric energy stored in the capacitor C1 is naturally discharged as it is, a loss of power Pc occurs, and the overall power efficiency is lowered. Therefore, by recovering the electric energy stored from the capacitor C1 and reusing it as regenerative power, it becomes possible to improve the power efficiency.

－＜電気エネルギーの回生のために追加された構成要素の説明＞
図３に示した電力スイッチング回路６０は、バックコンバータ７０およびタイミング生成部８０を備えている。 -<Explanation of components added for regeneration of electrical energy>
The power switching circuit 60 shown in FIG. 3 includes a back converter 70 and a timing generator 80.

バックコンバータ７０は、コンデンサＣ１から蓄積された電気エネルギーを回収し、再利用できる回生電力に変換し、電力スイッチ素子Ｑ１の入力側の電源ライン６３Ａに供給する。また、タイミング生成部８０は、バックコンバータ７０が正しく動作するために必要なタイミングを表すゲート制御信号ＳＧ４を生成し、この信号をバックコンバータ７０に供給する。 The back converter 70 recovers the electric energy stored from the capacitor C1, converts it into regenerative power that can be reused, and supplies it to the power supply line 63A on the input side of the power switch element Q1. Further, the timing generation unit 80 generates a gate control signal SG4 indicating the timing required for the back converter 70 to operate correctly, and supplies this signal to the back converter 70.

図３に示したバックコンバータ７０は、絶縁トランスＴ１、アシストスイッチＱ２、ダイオードＤ３、およびＤ４を備えている。
アシストスイッチＱ２はＭＯＳ型の電界効果トランジスタで構成されている。アシストスイッチＱ２のゲート端子には、制御ライン６９を経由して二値信号であるゲート制御信号ＳＧ４が印加される。 The back converter 70 shown in FIG. 3 includes an isolation transformer T1, an assist switch Q2, a diode D3, and a D4.
The assist switch Q2 is composed of a MOS type field effect transistor. A gate control signal SG4, which is a binary signal, is applied to the gate terminal of the assist switch Q2 via the control line 69.

アシストスイッチＱ２は、ゲート制御信号ＳＧ４に従って周期的にオンオフし、コンデンサＣ１の２つの端子から電力回生用ライン６７、６８を介して回収した電気エネルギーを絶縁トランスＴ１の一次側巻線に間欠的に供給する。これにより、絶縁トランスＴ１の二次側巻線に交流電力が誘起する。 The assist switch Q2 periodically turns on and off according to the gate control signal SG4, and intermittently transfers the electric energy recovered from the two terminals of the capacitor C1 via the power regeneration lines 67 and 68 to the primary winding of the isolation transformer T1. Supply. As a result, AC power is induced in the secondary winding of the isolation transformer T1.

絶縁トランスＴ１の二次側巻線に発生する交流電力は、ダイオードＤ３、Ｄ４により整流されて直流電力になり、コイルＬ２を介して電力スイッチ素子Ｑ１の入力側の電源ライン６３Ａおよびアースライン６４に回生電流ｉ８として供給される。 The AC power generated in the secondary winding of the isolation transformer T1 is rectified by the diodes D3 and D4 to become DC power, and is connected to the power supply line 63A and the ground line 64 on the input side of the power switch element Q1 via the coil L2. It is supplied as a regenerative current i8.

図３に示したタイミング生成部８０は、信号発生器８１、コンパレータ８２、インバータ８３、ＡＮＤゲート８４、および８５を備えている。
信号発生器８１は、電力スイッチ素子Ｑ１のスイッチング周波数（例えば７００［ｋＨｚ］）に比べて十分に高い周波数（例えば３［ＭＨｚ］）のパルス信号ＳＧ５を連続的に生成する。 The timing generator 80 shown in FIG. 3 includes a signal generator 81, a comparator 82, an inverter 83, an AND gate 84, and 85.
The signal generator 81 continuously generates a pulse signal SG5 having a frequency (for example, 3 [MHz]) sufficiently higher than the switching frequency (for example, 700 [kHz]) of the power switch element Q1.

タイミング生成部８０は、信号発生器６１が出力するゲート制御信号ＳＧ３と、信号発生器８１が出力するパルス信号ＳＧ５とに基づいて、バックコンバータ７０を駆動するために必要なゲート制御信号ＳＧ４のタイミングを生成する。 The timing generator 80 determines the timing of the gate control signal SG4 required to drive the back converter 70 based on the gate control signal SG3 output by the signal generator 61 and the pulse signal SG5 output by the signal generator 81. To generate.

タイミング生成部８０が生成したゲート制御信号ＳＧ４は、ゲートドライバ６６および制御ライン６９を介してバックコンバータ７０内のアシストスイッチＱ２のゲート端子に印加される。 The gate control signal SG4 generated by the timing generation unit 80 is applied to the gate terminal of the assist switch Q2 in the back converter 70 via the gate driver 66 and the control line 69.

このゲート制御信号ＳＧ４により、アシストスイッチＱ２は、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間が導通している各期間内のタイミングで、周期的にオンオフを繰り返し、絶縁トランスＴ１の一次側巻線に交流電力を供給する。電力スイッチ素子Ｑ１がオフのタイミングでは、アシストスイッチＱ２がオフになり、コンデンサＣ１からの電気エネルギーの回収は停止する。 By this gate control signal SG4, the assist switch Q2 periodically turns on and off at the timing within each period during which the drain and source terminals of the power switch element Q1 are conducting, and becomes the primary winding of the isolation transformer T1. Supply AC power. When the power switch element Q1 is turned off, the assist switch Q2 is turned off and the recovery of electric energy from the capacitor C1 is stopped.

＜電力スイッチング回路６０の動作例＞
図３に示した電力スイッチング回路６０における主要な電圧及び電流の波形の例を図４に示す。すなわち、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧Ｖｐ１、および電源ライン６３Ｂに流れる電流ｉ１の波形が図４に示されている。 <Operation example of power switching circuit 60>
FIG. 4 shows an example of the waveforms of the main voltages and currents in the power switching circuit 60 shown in FIG. That is, the waveforms of the voltage Vp1 between the drain and source terminals of the power switch element Q1 and the current i1 flowing through the power supply line 63B are shown in FIG.

図４に示した例では、各時刻ｔ０１、ｔ０３、ｔ０５、・・・で電力スイッチ素子Ｑ１がターンオンし、各時刻ｔ０２、ｔ０４、ｔ０６、・・・で電力スイッチ素子Ｑ１がターンオフし、同様の動作を周期的に繰り返す。つまり、時刻ｔ０１～ｔ０２、ｔ０３～ｔ０４、ｔ０５～ｔ０６の間はそれぞれ電力スイッチ素子Ｑ１がオン（ドレイン－ソース端子間が導通状態）であり、時刻ｔ０２～ｔ０３、ｔ０４～ｔ０５の間はそれぞれ電力スイッチ素子Ｑ１がオフ（ドレイン－ソース端子間が非導通状態）である。 In the example shown in FIG. 4, the power switch element Q1 turns on at each time t01, t03, t05, ..., And the power switch element Q1 turns off at each time t02, t04, t06, ... The operation is repeated periodically. That is, the power switch element Q1 is on (the drain-source terminal is in a conductive state) during the times t01 to t02, t03 to t04, and t05 to t06, respectively, and the power is supplied during the times t02 to t03 and t04 to t05, respectively. The switch element Q1 is off (the drain-source terminal is in a non-conducting state).

したがって、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン－ソース端子間の電圧Ｖｐ１は、時刻ｔ０１～ｔ０２、ｔ０３～ｔ０４、ｔ０５～ｔ０６の間はほぼ０［Ｖ］であり、時刻ｔ０２～ｔ０３、ｔ０４～ｔ０５の間は高電圧（例えば５０［Ｖ］）になる。 Therefore, the voltage Vp1 between the drain and source terminals of the power switch element Q1 is almost 0 [V] between the times t01 to t02, t03 to t04, and t05 to t06, and is between the times t02 to t03 and t04 to t05. Becomes a high voltage (eg 50 [V]).

また、電源ライン６３Ｂに流れる電流ｉ１は、時刻ｔ０２～ｔ０３、ｔ０４～ｔ０５の間は０［Ａ］であり、時刻ｔ０１～ｔ０２、ｔ０３～ｔ０４、ｔ０５～ｔ０６の間にコンデンサＣ１などの部品の時定数の影響を受けながら指数関数的に変動する。 Further, the current i1 flowing through the power supply line 63B is 0 [A] between the times t02 to t03 and t04 to t05, and the components such as the capacitor C1 are connected between the times t01 to t02, t03 to t04 and t05 to t06. It fluctuates exponentially under the influence of the time constant.

ここで、電力スイッチ素子Ｑ１がターンオンする時の動作を確認するために、図４に示した時刻ｔ０１付近の領域Ｐ０１に注目する。また、この領域Ｐ０１の近傍を拡大した状態を図５に示す。 Here, in order to confirm the operation when the power switch element Q1 is turned on, attention is paid to the region P01 near the time t01 shown in FIG. Further, FIG. 5 shows an enlarged state in the vicinity of this region P01.

図５に示した例では、時刻ｔ０１において、電流ｉ１はほぼ０［Ａ］であり、電圧Ｖｐ１はまだ高電圧である。そして、この状態で電力スイッチ素子Ｑ１がオンに切り替わり、電圧Ｖｐ１が高電圧から０［Ｖ］近傍まで低下した後で、電流ｉ１が上昇を開始している。つまり、電圧Ｖｐ１が高い状態と、電流ｉ１が流れている状態とが時間的に重ならないので、ターンオンの時にＺＣＳが成立し、電力スイッチ素子Ｑ１自身が消費する電力（Ｖｐ１×ｉ１）の損失がほぼ０になる。また、高調波ノイズも発生しない。 In the example shown in FIG. 5, at time t01, the current i1 is almost 0 [A] and the voltage Vp1 is still high voltage. Then, in this state, the power switch element Q1 is switched on, the voltage Vp1 drops from the high voltage to the vicinity of 0 [V], and then the current i1 starts to rise. That is, since the state where the voltage Vp1 is high and the state where the current i1 is flowing do not overlap in time, ZCS is established at the time of turn-on, and the loss of the power (Vp1 × i1) consumed by the power switch element Q1 itself is lost. It becomes almost 0. In addition, no harmonic noise is generated.

次に、電力スイッチ素子Ｑ１がターンオフする時の動作を確認するために、図４に示した時刻ｔ０２付近の領域Ｐ０２に注目する。また、この領域Ｐ０２の近傍を拡大した状態を図６に示す。 Next, in order to confirm the operation when the power switch element Q1 is turned off, attention is paid to the region P02 near the time t02 shown in FIG. Further, FIG. 6 shows an enlarged state in the vicinity of this region P02.

図６に示した例では、時刻ｔ０２において、電圧Ｖｐ１がほぼ０［Ｖ］であり、この状態で電力スイッチ素子Ｑ１がオフに切り替わり、電流ｉ１が遮断されて０［Ａ］になっている。つまり、電圧Ｖｐ１が高い状態と、電流ｉ１が流れている状態とが時間的に重ならないので、ターンオフの時にＺＶＳが成立し、電力スイッチ素子Ｑ１自身が消費する電力（Ｖｐ１×ｉ１）の損失がほぼ０になる。また、高調波ノイズも発生しない。 In the example shown in FIG. 6, at time t02, the voltage Vp1 is almost 0 [V], and in this state, the power switch element Q1 is switched off, the current i1 is cut off, and the voltage is 0 [A]. That is, since the state where the voltage Vp1 is high and the state where the current i1 is flowing do not overlap in time, ZVS is established at the time of turn-off, and the loss of the power (Vp1 × i1) consumed by the power switch element Q1 itself is lost. It becomes almost 0. In addition, no harmonic noise is generated.

２つのゲート制御信号ＳＧ３、ＳＧ４の波形を図７に示す。
電力スイッチ素子Ｑ１は、ゲート制御信号ＳＧ３の電圧が高い時にオンになり、この電圧が低い時にオフになる。また、アシストスイッチＱ２は、ゲート制御信号ＳＧ４の電圧が高い時にオンになり、この電圧が低い時にオフになる。 The waveforms of the two gate control signals SG3 and SG4 are shown in FIG.
The power switch element Q1 is turned on when the voltage of the gate control signal SG3 is high, and turned off when the voltage is low. Further, the assist switch Q2 is turned on when the voltage of the gate control signal SG4 is high, and turned off when the voltage is low.

図７に示すように、ゲート制御信号ＳＧ３の電圧が低い時には、ゲート制御信号ＳＧ４の電圧も低くなる。したがって、電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時にはアシストスイッチＱ２もオフになる。また、ゲート制御信号ＳＧ３の電圧が高い各区間において、ゲート制御信号ＳＧ４は、電圧が高い状態と低い状態とを短い周期で繰り返す。 As shown in FIG. 7, when the voltage of the gate control signal SG3 is low, the voltage of the gate control signal SG4 is also low. Therefore, when the power switch element Q1 is off, the assist switch Q2 is also off. Further, in each section where the voltage of the gate control signal SG3 is high, the gate control signal SG4 repeats a state where the voltage is high and a state where the voltage is low in a short cycle.

また、図３に示した電力スイッチング回路６０においては、電力スイッチ素子Ｑ１がオンになった時に、電圧Ｖｐ１が０［Ｖ］に近い値になる。この時、コンデンサＣ１に電気エネルギーが蓄積されているので、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９は高い状態であり、「Ｖｐ１＜Ｖｐ９」になるが、ダイオードＤ１が存在するのでコンデンサＣ１から電源ライン６３Ａに向かって電流が流れることはない。 Further, in the power switching circuit 60 shown in FIG. 3, when the power switch element Q1 is turned on, the voltage Vp1 becomes a value close to 0 [V]. At this time, since electric energy is stored in the capacitor C1, the terminal voltage Vp9 of the capacitor C1 is in a high state, and "Vp1 <Vp9", but since the diode D1 exists, the capacitor C1 is connected to the power supply line 63A. No current flows toward it.

そして、電力スイッチ素子Ｑ１がオンになった時に、アシストスイッチＱ２がオンオフを繰り返すので、コンデンサＣ１に蓄積された電荷により、電力回生用ライン６７、６８、およびアシストスイッチＱ２を介して絶縁トランスＴ１の一次側巻線に間欠的に電流が流れる。更に、トランスＴ１の二次側巻線に誘起する交流電力により回生電流ｉ８が生成される。つまり、コンデンサＣ１が蓄積している電気エネルギーがバックコンバータ７０で回収され、回生電流ｉ８として再利用される。 Then, when the power switch element Q1 is turned on, the assist switch Q2 repeatedly turns on and off, so that the electric charge accumulated in the capacitor C1 causes the isolation transformer T1 to pass through the power regeneration lines 67 and 68 and the assist switch Q2. Current flows intermittently in the primary winding. Further, the regenerative current i8 is generated by the AC power induced in the secondary winding of the transformer T1. That is, the electric energy stored in the capacitor C1 is recovered by the back converter 70 and reused as the regenerative current i8.

バックコンバータ７０から出力される回生電流ｉ８の波形を図８に示す。また、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９の波形を図９に示す。 The waveform of the regenerative current i8 output from the back converter 70 is shown in FIG. Further, the waveform of the voltage Vp9 between terminals of the capacitor C1 is shown in FIG.

図８に示した波形から分かるように、周期的に回生電流ｉ８が発生している。また、図９に示した波形から分かるように、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９は、電圧が高い状態と低い状態とを周期的に繰り返すように変化している。つまり、電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時にコンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９が高くなって電気エネルギーが蓄積され、蓄積された電気エネルギーが電力スイッチ素子Ｑ１がオンの時に放出されている。コンデンサＣ１が放出した電気エネルギーがバックコンバータ７０で回収された結果として、図８に示した波形のような回生電流ｉ８が発生する。したがって、コンデンサＣ１が蓄積した電気エネルギーは、損失として無駄に消費されることはなく、回生電流ｉ８として再利用されるので、電力効率の改善に寄与することとなる。 As can be seen from the waveform shown in FIG. 8, the regenerative current i8 is periodically generated. Further, as can be seen from the waveform shown in FIG. 9, the voltage Vp9 between the terminals of the capacitor C1 changes so as to periodically repeat a high voltage state and a low voltage state. That is, when the power switch element Q1 is off, the voltage Vp9 between the terminals of the capacitor C1 becomes high and electric energy is stored, and the stored electric energy is released when the power switch element Q1 is on. As a result of the electric energy released by the capacitor C1 being recovered by the back converter 70, a regenerative current i8 as shown in the waveform shown in FIG. 8 is generated. Therefore, the electric energy stored in the capacitor C1 is not wasted as a loss and is reused as the regenerative current i8, which contributes to the improvement of power efficiency.

＜電力スイッチング回路６０の利点＞
図３に示した電力スイッチング回路６０のように、電力スイッチ素子Ｑ１をソフトスイッチングで制御するために、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、コイルＬ１を接続することにより、電力スイッチ素子Ｑ１がターンオンする時のＺＣＳ、及びターンオフする時のＺＶＳを実現できる。これにより、スイッチングに伴う電力スイッチ素子Ｑ１の電力損失を大幅に低減すると共に、高調波ノイズの発生を防止できる。 <Advantages of power switching circuit 60>
As in the power switching circuit 60 shown in FIG. 3, in order to control the power switch element Q1 by soft switching, by connecting the diode D1, the capacitor C1, and the coil L1, the ZCS when the power switch element Q1 turns on. , And ZVS at the time of turn-off can be realized. As a result, the power loss of the power switch element Q1 due to switching can be significantly reduced, and the generation of harmonic noise can be prevented.

特に、車載用として構成される図１に示したようなミキサ１０やルータ３０、３１内に電力スイッチング回路６０を搭載する場合には、ワイヤハーネスＷ１、Ｗ２からの放射ノイズの低減に効果的である。また、複数のルータ３０、３１を経由して電力パケットを伝送する場合には、電力パケットの生成を複数回繰り返すことになるため、パケット生成に伴う電力損失増大が懸念されるが、電力スイッチング回路６０の採用により問題を解消できる。 In particular, when the power switching circuit 60 is mounted in the mixer 10 or the routers 30 and 31 as shown in FIG. 1 configured for in-vehicle use, it is effective in reducing the radiation noise from the wire harnesses W1 and W2. be. Further, when a power packet is transmitted via a plurality of routers 30 and 31, power packet generation is repeated a plurality of times, so that there is a concern that power loss may increase due to packet generation, but a power switching circuit The problem can be solved by adopting 60.

なお、図３に示したバックコンバータ７０やタイミング生成部８０の構成については、必要に応じて変更することができる。例えば、図３のバックコンバータ７０は絶縁型であるが、非絶縁型の構成に変更してもよい。 The configuration of the back converter 70 and the timing generation unit 80 shown in FIG. 3 can be changed as necessary. For example, although the back converter 70 in FIG. 3 is an insulated type, it may be changed to a non-insulated type configuration.

ここで、上述した本発明の実施形態に係る電力スイッチング回路の特徴をそれぞれ以下［１］～［４］に簡潔に纏めて列記する。
［１］所望の伝送路（ワイヤハーネスＷ１、Ｗ２）に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路（６０）であって、
電力の通過経路上に接続された少なくとも１つの電力スイッチ素子（Ｑ１）と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側（電源ライン６３Ａ）に接続された整流器（ダイオードＤ１）と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側と電力出力側（電源ライン６３Ｂ）との間に前記整流器を介して接続されたキャパシタ（コンデンサＣ１）と、
前記電力スイッチ素子の電力出力側に接続されたインダクタ（コイルＬ１）と、
を備え、
前記キャパシタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオフする時の前記電力スイッチ素子への印加電圧の低減に影響し（図５参照）、
前記インダクタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオンする時の前記電力スイッチ素子に流れる電流の低減に影響する（図６参照）、
ことを特徴とする電力スイッチング回路。 Here, the features of the power switching circuit according to the embodiment of the present invention described above are briefly summarized and listed below in [1] to [4], respectively.
[1] A power switching circuit (60) that generates pulsed power supply power that can be sent to a desired transmission line (wire harnesses W1 and W2).
With at least one power switch element (Q1) connected on the power passage path,
A rectifier (diode D1) connected to the power input side (power supply line 63A) of the power switch element, and
A capacitor (capacitor C1) connected via the rectifier between the power input side and the power output side (power supply line 63B) of the power switch element,
An inductor (coil L1) connected to the power output side of the power switch element and
Equipped with
The capacitor at least affects the reduction of the voltage applied to the power switch element when the power switch element turns off (see FIG. 5).
The inductor affects at least the reduction of the current flowing through the power switch element when the power switch element is turned on (see FIG. 6).
A power switching circuit characterized by that.

［２］前記キャパシタの端子間に一次側が接続された電力回生部（バックコンバータ７０）、および前記電力回生部を駆動するタイミング信号を生成するタイミング生成部（８０）、を更に備え、
前記電力回生部は、前記キャパシタに蓄積された電力を回収して前記電力スイッチ素子の電力入力側に転送する機能を有し、
前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子がオンの時に、前記電力回生部を駆動するためのタイミング信号（ゲート制御信号ＳＧ４）を生成する（図７参照）、
ことを特徴とする上記［１］に記載の電力スイッチング回路。 [2] Further includes a power regeneration unit (back converter 70) in which the primary side is connected between the terminals of the capacitor, and a timing generation unit (80) for generating a timing signal for driving the power regeneration unit.
The power regeneration unit has a function of recovering the power stored in the capacitor and transferring it to the power input side of the power switch element.
The timing generation unit generates a timing signal (gate control signal SG4) for driving the power regeneration unit when the power switch element is on (see FIG. 7).
The power switching circuit according to the above [1].

［３］前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子のオンオフ周期に比べて短い周期でオンオフを繰り返す駆動パルスを生成する（図７参照）、
ことを特徴とする上記［２］に記載の電力スイッチング回路。 [3] The timing generation unit generates a drive pulse that repeats on / off in a shorter cycle than the on / off cycle of the power switch element (see FIG. 7).
The power switching circuit according to the above [2].

［４］前記電力スイッチ素子が出力するパルス状の電源電力波形（ペイロード５２）に隣接するタイミングで、該当する電源電力に関連するデジタル情報の信号（ヘッダ５１）を付加する情報付加部（ヘッダ生成部１２）、を更に備えた、
ことを特徴とする上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の電力スイッチング回路。 [4] An information addition unit (header generation) that adds a digital information signal (header 51) related to the corresponding power supply power at a timing adjacent to the pulsed power supply power waveform (payload 52) output by the power switch element. Part 12), further equipped with
The power switching circuit according to any one of the above [1] to [3].

１０ミキサ
１０ａ，１０ｂ出力端子
１１送電パルス生成部
１２ヘッダ生成部
１６電源ライン
１７アースライン
２０上位制御部
２１，２２電源
３０，３１ルータ
３３，３４負荷
４１ダイオード
４２蓄電部
４３ヘッダ抽出部
４４出力制御部
５０電力パケット
５１ヘッダ
５１ａ同期信号
５１ｂ宛先情報
５１ｃ送電電力情報
５２ペイロード
６０電力スイッチング回路
６１，８１信号発生器
６２，６６ゲートドライバ
６３Ａ，６３Ｂ，６５電源ライン
６４アースライン
６７，６８電力回生用ライン
６９制御ライン
７０バックコンバータ
８０タイミング生成部
８２コンパレータ
８３インバータ
８４，８５ＡＮＤゲート
Ｑ１電力スイッチ素子
Ｃ１，Ｃ２コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２コイル
Ｌ３インダクタンス成分
Ｒ１抵抗器
Ｒ２抵抗成分
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５ダイオード
Ｔ１絶縁トランス
ＳＧ１送電指示信号
ＳＧ２パルスタイミング信号
ＳＧ３，ＳＧ４ゲート制御信号
Ｗ１，Ｗ２ワイヤハーネス 10 Mixer 10a, 10b Output terminal 11 Transmission pulse generator 12 Header generator 16 Power supply line 17 Earth line 20 Upper control unit 21, 22 Power supply 30, 31 Router 33, 34 Load 41 Diode 42 Storage unit 43 Header extraction unit 44 Output control Part 50 Power packet 51 Header 51a Synchronous signal 51b Destination information 51c Transmission power information 52 payload 60 Power switching circuit 61,81 Signal generator 62,66 Gate driver 63A, 63B, 65 Power line 64 Earth line 67,68 Power regeneration line 69 Control line 70 Back converter 80 Timing generator 82 Comparator 83 Inverter 84,85 AND gate Q1 Power switch element C1, C2 Capacitor L1, L2 Coil L3 Inverter component R1 Resistor R2 Resistance component D1, D2, D3, D4, D5 Diode T1 Inverter SG1 Power transmission instruction signal SG2 Pulse timing signal SG3, SG4 Gate control signal W1, W2 Wire harness

Claims

A power switching circuit that generates pulsed power supply power that can be sent to a desired transmission line.
With at least one power switch element connected on the power passage path,
A rectifier connected to the power input side of the power switch element and
A capacitor connected between the power input side and the power output side of the power switch element via the rectifier, and
The inductor connected to the power output side of the power switch element and
Equipped with
The capacitor at least affects the reduction of the voltage applied to the power switch element when the power switch element is turned off.
The inductor affects at least the reduction of the current flowing through the power switch element when the power switch element is turned on.
A power switching circuit characterized by that.

Further, a power regeneration unit in which the primary side is connected between the terminals of the capacitor and a timing generation unit for generating a timing signal for driving the power regeneration unit are provided.
The power regeneration unit has a function of recovering the power stored in the capacitor and transferring it to the power input side of the power switch element.
The timing generation unit generates a timing signal for driving the power regeneration unit when the power switch element is on.
The power switching circuit according to claim 1.

The timing generator generates a drive pulse that repeats on / off in a shorter cycle than the on / off cycle of the power switch element.
The power switching circuit according to claim 2.

Further provided with an information addition unit that adds a signal of digital information related to the corresponding power supply power at a timing adjacent to the pulsed power supply power waveform output by the power switch element.
The power switching circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the power switching circuit is characterized in that.